高陡邊坡滾石危險(xiǎn)性評價(jià)與防治

王春山，巴仁基，劉宇杰，聶德新

（1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，成都 610081；2.成都理工大學(xué)，成都 610059)

滾石災(zāi)害非常嚴(yán)重，在國內(nèi)外均有所報(bào)道。在意大利，滾石已經(jīng)成為主要災(zāi)害之一。1939年5月10日在高速公路上的一次滾石造成了6人死亡。1982年12月13日的扎馬爾地震造成了也門西南部塔伊茲城市周邊70多處滾石的發(fā)生。1961～1981年位于寶～成鐵路段大灘至軍師廟1.6km 范圍內(nèi)發(fā)生了46 次滾石災(zāi)害，炸壞了鐵軌和車輛，造成了多次停車事故。2008年5月12日的汶川地震造成的滾石災(zāi)害更是相當(dāng)嚴(yán)重，其中在映秀鎮(zhèn)，一重約300t 的滾石，從都汶公路內(nèi)側(cè)坡體陡壁頂部，直接臨空拋射到公路外側(cè)，其水平拋射距離61.9m，豎直下落高度64.4m[14]。本文所要研究的康定縣爐城鎮(zhèn)郭達(dá)山危巖曾發(fā)生過多次垮塌，2005年12月發(fā)生崩塌，但由于規(guī)模較小，崩落距離不大，未造成危害；2007年4月28日，危巖再次發(fā)生崩塌，菜市場后部魚市多處雨蓬頂受損，墻體洞穿，并造成3人受傷，目前危巖體仍威脅著山下公安局交警支隊(duì)、稽查征費(fèi)處、州種子管理站、康定縣國土局宿舍樓和東關(guān)菜市場等10 家單位以及約8000人生命安全。因此研究滾石的運(yùn)動機(jī)制、影響因素、力學(xué)特征以及防止治理是非常必要的。

1 滾石的形成因素

滾石的形成因素可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)應(yīng)包括地質(zhì)運(yùn)動作用及產(chǎn)生的各種構(gòu)造和巖土體的物理力學(xué)特征；外因包括河流侵蝕、風(fēng)化作用、地震、植物根劈和生物擾動以及人文活動等。

地殼的造山運(yùn)動和造陸運(yùn)動使得各地質(zhì)體受到了強(qiáng)大的構(gòu)造應(yīng)力的作用，形成了各種地質(zhì)構(gòu)造特征。例如褶皺核部、斷層通過地段和節(jié)理發(fā)育處巖體破碎，已形成規(guī)模不等的滾石。

巖性對邊坡滾石的影響是明顯的。通常情況下軟弱巖石易受風(fēng)化，邊坡較緩，且形成的滾石的顆粒易碎，因此形成的幾率相對較低，即便是形成滾石，也會在碰撞中形成碎屑流。而塊狀和后層狀的堅(jiān)硬巖由于抗風(fēng)化能力較高，往往形成陡峭的懸崖峭壁，巖體在多組節(jié)理的切割下可形成大小不等滾石。

暴雨、地震、生物活動以及人類活動等是激發(fā)滾石的主要因素。暴雨降水一方面降低了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)長度，另一方面在裂隙中產(chǎn)生的超孔隙水壓力促使了結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展。地震形成的地震波是巖土體的結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性質(zhì)急劇下降，造成巖體破碎失穩(wěn)。植物的根劈、動物的挖洞活動可使巖土體穩(wěn)定性下降，造成向臨空面變形。水利開發(fā)、礦產(chǎn)勘探開采和鐵路公路的修建等一系列人類活動都需要對自然邊坡巖土體進(jìn)行改造，使得滾石的發(fā)生愈加頻繁。

2 滾石運(yùn)動的形式及影響因素

一些學(xué)者將滾石的運(yùn)動形式分為滾動、自由飛落（自由落體）、碰撞彈跳（彈跳）和滾動四類[7]。在無特殊的前提條件下，如爆破等，滾石的初始運(yùn)動特征一般為滑動，受到較大摩擦力的作用，速度較緩慢且能量損失大。之后受主要從邊坡條件(邊坡幾何形狀、坡面粗糙程度、邊坡的物理力學(xué)性質(zhì))、滾石特性(幾何性質(zhì)、物理力學(xué)性質(zhì))和邊坡與滾石的相互作用等影響，將會形成自由飛落（自由落體）、碰撞彈跳（彈跳）和滾動的其他三種運(yùn)動形式，且各種運(yùn)動形式又會相互轉(zhuǎn)換。由于控制滾石運(yùn)動的因素具有不確定性以及滾石運(yùn)動形式相互變換的復(fù)雜性，使得對滾石的運(yùn)動軌跡的估算變的十分復(fù)雜。通過對各控制因素的合理簡化，對不同運(yùn)動形式提出了相應(yīng)的計(jì)算公式，并應(yīng)用于實(shí)際的工程[9][10]。

3 滾石的數(shù)值模擬

實(shí)際中邊坡的幾何形態(tài)、坡體的力學(xué)特征、滾石的大小等的細(xì)微改變，將會對滾石的運(yùn)動特征具有明顯的影響，因此對滾石軌跡的精確計(jì)算變得愈發(fā)困難。在分析滾石的過程中采用的多為經(jīng)驗(yàn)公式，必然會產(chǎn)生較大的誤差。在很多情況下受人力、物力以及現(xiàn)場條件的限制，不可能進(jìn)行現(xiàn)場拋石試驗(yàn)。因此，數(shù)值模擬成為了對滾石運(yùn)動研究的一個(gè)有力的工具。目前，國外進(jìn)行滾石軌跡模擬的軟件有十余種，而Rockfall 是其中一個(gè)應(yīng)用廣泛的商業(yè)軟件，通過輸入控制性參數(shù)，該軟件就可以對特定區(qū)域的滾石數(shù)量、速度、高度以及沖擊力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。國內(nèi)外的學(xué)者利用該軟件對實(shí)際工程進(jìn)行模擬，并取得了較好的成果[11][12]。

4 滾石防治治理

為了減少滾石產(chǎn)生的危害，在分析了滾石的運(yùn)動特性以及沖擊作用的研究基礎(chǔ)上，應(yīng)對危險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行合理的防護(hù)治理。按照防護(hù)措施的作用原理可分為主動防護(hù)和被動防護(hù)。主動防護(hù)是在對危巖體進(jìn)行較為精細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行支撐、錨固、封填、灌漿、排水、清除和護(hù)坡等手段增強(qiáng)巖體的穩(wěn)定性。而被動防護(hù)并不改變危巖體的穩(wěn)定性，而是對巖體失穩(wěn)后的運(yùn)動特征加以約束，如修建落石槽、擋石墻、擋石柵欄和棚洞等。目前，具有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的柔性防護(hù)技術(shù)被提出。所謂的柔性防護(hù)就是采用高強(qiáng)度的柔性網(wǎng)為主要部分，以主動覆蓋和被動攔截來防治崩塌落石的防護(hù)結(jié)構(gòu)。該技術(shù)在淺表層地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[13][14][15][16][17]。

5 工程實(shí)例

圖1 郭達(dá)山地形地貌

5.1 康定縣郭達(dá)山危巖體總體特征

康定縣郭達(dá)山危巖體位于康定縣爐城鎮(zhèn)境內(nèi)，位于瓦斯河左岸，地理坐標(biāo)101°58′06.87″；30°03′28.00″。東起康定縣國土資源局宿舍樓上部山脊，西至雅拉河與瓦斯河交匯處，長400m。危巖體位于郭達(dá)山中部，高程范圍約2 764～2 884m，河底高程2 448m，相對高差約400m(圖1)。危巖體所處斜坡為緩～陡～緩，坡度在47°～62°之間。危巖區(qū)巖性主要由震旦系上統(tǒng)燈影組大理巖組成，巖層平均產(chǎn)狀為260°∠60°。巖層內(nèi)裂隙發(fā)育，主要由一組共軛的組成，其中一組產(chǎn)狀為165°∠65°，跡長0.1～3m，間距0.3～1.5m，局部張開，最大拉張8cm，該組裂隙較發(fā)育，與坡向近于平行；另一組產(chǎn)狀為271°∠75°，跡長1.0～3.1m，間距0.5～1.5m，局部張開約2～8cm，面起伏粗糙，有鈣華及泥質(zhì)填充。受這兩組節(jié)理的切割，在郭達(dá)山上形成了多個(gè)直徑在數(shù)米以上的危巖體。在暴雨的條件下，雨水滲入各危巖體內(nèi)，一方面增加了滾石的重量，另一方面降低了滾石底部的摩擦強(qiáng)度，極易形成災(zāi)害。危巖體下部為堆積區(qū)，主要由危巖體的崩坡積物組成，堆積區(qū)寬約300m，厚度約5～10m，坡度為30°～35°。物質(zhì)成分主要為黃褐色土夾巖塊、巖屑，巖塊粒徑在15～30cm，棱角狀（圖2）。

圖2 郭達(dá)山危巖體特征

5.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

滾石啟動及運(yùn)動過程中接觸到的地質(zhì)體為大理巖以及堆積區(qū)的崩坡積物，而這些物質(zhì)的物理力學(xué)特征對滾石的運(yùn)動方式起到了重要的作用，因此在野外對巖土體進(jìn)行樣本采集，然后在室內(nèi)進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的測量。對大理巖采集了6個(gè)樣本，通過測試獲得了其含水率、天然密度、天然抗壓強(qiáng)度、飽和抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及軟化系數(shù)等7個(gè)參數(shù)指標(biāo)（表1）。在堆積區(qū)內(nèi)深度1～2m范圍內(nèi)采集了4組樣本，獲得了容重、抗剪強(qiáng)度和承載力等指標(biāo)（表2）。

5.3 危巖體危險(xiǎn)性評價(jià)

在滾石掉落較為集中的地段做一剖面（圖3），對其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，為治理防護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)資料。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，堆積區(qū)內(nèi)崩塌粒徑多為5～20cm，個(gè)別粒徑在1m 以上。另因?yàn)榭刀h城處于鮮水河、龍門山及安寧河地震帶交匯部位，地震活動頻繁，因此堆積區(qū)的塊石可代表在地震和暴雨的作用下滾石的粒徑。

對于滾石的運(yùn)動路徑和沖擊力將采用Rockfall 軟件進(jìn)行數(shù)字模擬，進(jìn)而對滾石下落范圍及可能造成的破壞程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。該軟件考慮到了巖塊的大小和密度、坡面幾何形態(tài)、坡面滑動和滾動摩擦系數(shù)等，還要考慮法向阻尼系數(shù)（Rn）和切向阻尼系數(shù)（Rt）。滾石運(yùn)移過程中在2 780m 高程以上為裸露的基巖，2 780m 至河谷為崩坡積無組成的土質(zhì)邊坡，為此對于巖質(zhì)邊坡地段，Rn=0.35，Rt=0.85；而土質(zhì)邊坡Rn=0.28，Rt=0.78[12]。本次數(shù)值模擬落石的原始數(shù)量設(shè)為50個(gè)，滾石的重量按野外調(diào)查的20cm 塊石計(jì)算為11.3kg。其他參數(shù)按所得參數(shù)表中的數(shù)據(jù)選?。ū?、表2）。

圖3 郭達(dá)山危巖體剖面圖

圖4 滾石的運(yùn)動過程模擬結(jié)果

表1 大理巖物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

圖4為數(shù)值模擬的滾石運(yùn)動過程成果，可以看出滾石開始在坡面滾動，至坡度便陡出發(fā)生了跳躍和碰撞。滾石最后落在255～258m、268～275m和280～290m 三個(gè)水平位置，其中大部分的滾石分布在268～275m 區(qū)間內(nèi)，有少數(shù)的滾石會撞擊到建筑物上（圖5）。在建筑物附近滾石沖擊的最大能量為400J，彈跳高度在1m 范圍內(nèi)。在建筑物前面修建高2m 的柔性防護(hù)網(wǎng)便可抵抗?jié)L石災(zāi)害。

5.4 監(jiān)測預(yù)警及防治措施

為了保證郭達(dá)山下10 各單位近8000人的安全，縣政府已經(jīng)對郭達(dá)山上的危巖體進(jìn)行了工程治理，采用主、被動相結(jié)合的防護(hù)措施，對具有嚴(yán)重威脅的地段采取對坡體表面進(jìn)行適當(dāng)整平，清除坡體表面松散的巖體后掛主動防御網(wǎng)進(jìn)行治理，對巖腔部位采取支撐和灌漿固結(jié)，同時(shí)在堆積區(qū)中部修建了一級被動防護(hù)網(wǎng)。由于危巖體分布范圍廣，現(xiàn)有的資金投入很難對其進(jìn)行全面的治理。較為有效的措施是群專結(jié)合，對郭達(dá)山危巖體進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)監(jiān)測。為此中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心在郭達(dá)山頂部架設(shè)了自動雨量儀，并對坡面上規(guī)模較大的巖體安裝了位移報(bào)警器，為山下居民提供了較好的安全保障。

表2 塊石土土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖5 滾石最終水平位置統(tǒng)計(jì)

圖6 建筑物前部滾石的沖擊能量統(tǒng)計(jì)

圖7 建筑物前部滾石的彈跳高度統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論

由于滾石的發(fā)生具有突發(fā)性，沖擊力大等特點(diǎn)，特別是高陡邊坡的滾石更是有著驚人的破壞力，因此對其的研究具有重要的意義。本文討論了滾石的形成因素、運(yùn)動形式和影響因素，認(rèn)為數(shù)值模擬是評價(jià)滾石災(zāi)害的有力工具，對滾石災(zāi)害的治理可采用柔性防護(hù)技術(shù)。并且以康定縣郭達(dá)山危巖體為例進(jìn)行評價(jià)，通過深入研究滾石的成因、巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，分析了滾石下落的范圍、沖擊能量和彈跳高度等，結(jié)果顯示滾石下落后有部分塊石會擊中建筑物，最大沖擊力為400J。通過對斜坡上的危巖體進(jìn)行治理和建立監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可以保障當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全。

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